Биохимия.ру полный курс лекций

biokhimija.ru	Тимин О.А. Лекции по биологической химии	181
	Альдозы	Кетозы

Гексозы

ПРОИЗВОДНЫЕ МОНОСАХАРИДОВ

Вприроде существуют многочисленные производные как перечисленных выше моносахаров, так и других. К ним, например, относятся:

Уроновые кислоты – дериваты гексоз, имеющие в 6 положении карбоксильные группы, например, глюкуроновая, галактуроновая, идуроновая, аскорбиновая кислоты.

Аминосахара – производные моносахаров, содержащие аминогруппы, например, глюкозамин или галактозамин. Эти производные обязательно входят в состав дисахаридных компонентов гетерополисахаридов. Ряд антибиотиков (эритромицин, карбомицин) со-

держат в своем составе аминосахара.

Сиаловые кислоты являются N- или O-ацил-

производными нейраминовой кислоты, которую можно рассматривать как производное глюкозы. Они, наряду с аминосахарами, входят в состав гликопротеинов и гликолипидов (ганглиозидов).

Гликозиды – соединения, образующиеся путем конденсации моносахарида (свободного или в составе полисахарида) с гидроксильной группой другого соединения, которым может быть любой моносахарид или вещество неуглеводной природы (агликон), например, метанол, глицерол, стерол, фенол. Широкое применение в кардиологии нашли входящие в состав наперстянки сердечные гликозиды, в качестве агликона они содер-

жат стероиды. Известный антибиотик стрептомицин также является гликозидом.

Строение и обмен углеводов	182

Д И С А Х А Р И Д Ы

Дисахариды – это углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или различные молекулы моносахарида.

Сахароза – пищевой сахар, в которой остатки глюкозы и фруктозы связаны1,2-гликозидной связью. В наибольшем количестве содержится в сахарной свекле и тростнике, моркови, ананасах, сорго.

Мальтоза – продукт гидролиза крахмала и гликогена, два остатка глюкозы связаны1,4-гликозидной связью, содержится в солоде, проростках злаков.

Лактоза – молочный сахар, остаток галактозы связан с глюкозой 1,4-гликозидной связью, содержится в молоке. В некоторых ситуациях (например, беременность) может появляться в моче.

Целлобиоза – промежуточный продукт гидролиза целлюлозы в кишечнике, в котором остатки глюкозы связаны 1,4-гликозидной связью. Здоровая микрофлора кишечника способна гидролизовать до 3/4 поступающей сюда целлюлозы до свободной глюкозы, которая либо потребляется самими микроорганизмами, либо всасывается в кровь.

П О Л И С А Х А Р И Д Ы

Выделяют гомополисахариды, состоящие из одинаковых остатков моносахаров (крахмал, гликоген, целлюлоза) и гетерополисахариды (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты), включающие разные моносахара.

ГОМОПОЛИСАХАРИДЫ

Крахмал – гомополимер α-D-глюкозы. Находится в злаках, бобовых, картофеле и некоторых других овощах. Синтезировать крахмал способны почти все растения.

Двумя основными компонентами крахмала являются амилоза (15-20%) и амилопектин (80-85%). Амилоза представляет собой неразветвленную цепь с молекулярной массой от 5 до 500 кДа, в которой остатки глюкозы соединены исключительно α-1,4-гликозидными связями. Амилопектин содержит α-1,4- и α-1,6-гликозидные связи, имеет массу не менее 1 млн. Да и является разветвленной молекулой, причем ветвление происходит за счет присоединения небольших глюкозных цепочек к основной цепи посредством α-1,6-гликозидных связей. Каждая ветвь имеет длину 24-30 остатков глюкозы, веточки возникают примерно через 14-16 остатков глюкозы в цепочке.

biokhimija.ru	Тимин О.А. Лекции по биологической химии	183

Гликоген – резервный полисахарид животных тканей, в наибольшей мере содержится в печени и мышцах. Структурно он схож с амилопектином, но, во-первых, длина веточек меньше – 11-18 остатков глюкозы, во-вторых, более разветвлен – через каждые 8-10 остатков. За счет этих особенностей гликоген более компактно уложен, что немаловажно для животной клетки.

Целлюлоза является наиболее распространенным органическим соединением биосферы. Около половины всего углерода Земли находится в ее составе. В отличие от предыдущих полисахаридов она является внеклеточной молекулой, имеет волокнистую структуру и абсолютно нерастворима в воде. Единственной связью в ней является β-1,4-гликозидная связь.

ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ

Основными представителями гликозаминогликанов является гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты и дерматансульфаты, гепарин. Большинство из них характеризуется наличием повторяющихся дисахаридных остатков.

Дисахариды включают в себя уроновую кислоту и аминосахар. Дублируясь, дисахариды образуют олиго- и полисахаридные цепи – гликаны. В биохимии используются синони-

мы – кислые гетерополисахариды (имеют много кислотных групп), гликозаминогликаны

(производные глюкозы, содержат аминогруппы). Эти молекулы входят в состав протеогликанов (мукополисахаридов) – сложных белков, функцией которых является заполнение межклеточного пространства и удержание здесь воды, также они выступают как смазочный и структурный компонент суставов, хрящей, кожи. В частности, гиалуроновая кислота находится в стекловидном теле глаза, в синовиальной жидкости, в межклеточном пространстве.

Строение и обмен углеводов	184

ИС П О Л Ь З О В АН И Е У Г Л Е В О Д О В В

БИ О Л О Г И И И М Е Д И ЦИ НЕ

1.Экспериментальная биология: для хроматографии используются декстраны – резерв-

ный полисахарид дрожжей и бактерий, состоящий из остатков α-глюкозы. В декстранах основным типом связи является α-1,6-гликозидная, а в местах ветвления – α-1,2-, α-1,3-, α-1,4-гликозидные связи.

2.Лабораторная диагностика: полисахарид фруктозы инулин, содержащийся в корнях георгинов, артишоков, одуванчиков, является легко растворимым соединением. В медицинской практике используется для определения очистительной способности почек –

клиренса.

3.Клиническая медицина:

o декстраны используются как компонент кровезаменителей, например, в виде вяз-

кого раствора на 0,9% NaCl – реополиглюкина,

o сердечные гликозиды применяются в кардиологии,

o при заболеваниях позвоночника и суставов широкое применение нашли препараты,

содержащие хондроитинсульфат и глюкозамины,

o при нарушении функции кишечника используются кристаллическая целлюлоза, лактулоза, хитин (полимер 1,4-N-ацетилглюкозамина) как стимуляторы перистальтики, целлюлоза и хитин могут использоваться и в качестве адсорбента,

o гепарин и его производные назначаются в качестве антикоагулянтов при сосудистых проблемах,

o инфекционные заболевания лечатся гликозидными антибактериальными средствами,

например, стрептомицин, эритромицин.

В Н Е ШН И Й О Б М Е Н У Г Л Е В О Д О В

Потребность в углеводах взрослого организма составляет 350-400 г в сутки, при этом целлюлозы и других пищевых волокон должно быть не менее 30-40 г.

С пищей в основном поступают крахмал, гликоген, целлюлоза, сахароза, лактоза, мальтоза, глюкоза и фруктоза, рибоза.

РОТОВАЯ ПОЛОСТЬ

Здесь находится кальций-содержащий фермент α-амилаза. Оптимум ее рН 7,1-7,2, активируется ионами Cl–. Являясь эндогликозидазой, она беспорядочно расщепляет внутренние α-1,4-гликозидные связи и не влияет на другие типы связей.

biokhimija.ru	Тимин О.А. Лекции по биологической химии	185

В ротовой полости углеводы расщепляются до декстринов и мальтозы. Дисахариды не гидролизуются.

ЖЕЛУДОК

Из-за низкой рН амилаза инактивируется, хотя некоторое время расщепление углеводов продолжается внутри пищевого комка.

КИШЕЧНИК

Для переваривания полисахаридов в полости тонкого кишечника работают совместно панкреатические ферменты: α-амилаза, разрывающая внутренние α-1,4-связи, изомальтаза, разрывающая α-1,6-связи изомальтозы, олиго-1,6-глюкозидаза, действующая на точки ветвления крахмала и гликогена.

Кроме полостного, имеется еще и пристеночное пищеварение, которое осуществляют: o сахаразо-изомальтазный комплекс (устаревшее название сахараза) – в тощей кишке гидролизует -1,2-, -1,4-, -1,6-гликозидные связи, расщепляет сахарозу, мальтозу

мальтотриозу, изомальтозу,

o гликоамилазный комплекс – находится в нижних отделах тонкого кишечника и расщепляет -1,4-гликозидные связи в олигосахаридах,

o -гликозидазный комплекс (устаревшее название лактаза) – гидролизует -1,4- гликозидные связи между галактозой и глюкозой (лактозу). У детей активность лактазы очень высока уже до рождения и сохраняется на высоком уровне до 5-7 лет, после чего снижается.

ОС О Б Е Н Н О С Т И П Е Р Е ВАР И В АН И Я

УГ Л Е В О Д О В У Д Е Т Е Й

Удетей первого года жизни из-за недостаточной кислотности желудка слюнная

α-амилаза способна попадать в тонкую кишку и участвовать в пищеварении. Поэтому, несмотря на то, что активность -амилазы поджелудочной железы у новорожденных довольно низкая, младенцы удовлетворительно способны переваривать полисахариды, в том числе

имолочных смесей. К концу первого года жизни активность панкреатической -амилазы возрастает в 25 раз, к периоду половой зрелости – в 50 раз.

Еще одной особенностью переваривания углеводов у младенцев является разная скорость гидролиза -лактозы и -лактозы. В коровьем молоке из-за избытка фосфатов преобладает -лактоза, которая быстро расщепляется уже в верхних отделах тонкого кишечника и приводит к более высокой гипергликемии. -Лактоза, присутствующая в женском молоке, не полностью гидролизуется в тонкой кишке и достигает нижних отделов тонкой кишки и толстого кишечника. Это определяет, в числе других достоинств грудного вскармливания, наличие оптимальной кишечной микрофлоры.

НА Р У Ш Е Н И Я П Е Р Е В А Р И В А Н И Я Д И С А Х А Р И Д О В

Существуют две наиболее встречающиеся формы нарушения переваривания дисахаридов в кишечнике – дефект лактазы и сахаразы.

Приобретенные формы недостаточности переваривания углеводов возникают в результате заболеваний стенок ЖКТ: энтериты, колиты, когда нарушается образование ферментов и их размещение на щеточной каемке энтероцитов. К тому же ухудшается всасывание моносахаров.

При наследственной патологии лактазы симптомы проявляются после первых кормлений; патология сахаразы обнаруживается позднее, при введении в рацион сладкого.

Строение и обмен углеводов	186

Недостаточность лактазы может проявляться не только у младенцев, но и у взрослых.

Примерно у 10-12% людей белой расы фермент перестает синтезироваться уже в детском возрасте и возникает непереносимость молока. У народов Азии и Африки такая проблема есть у 80-95% населения.

Патогенез. Отсутствие гидролиза соответствующих дисахаридов приводит к осмотическому эффекту и задержке воды в просвете кишечника. Кроме этого, сахара активно потребляются микрофлорой толстого кишечника и метаболизируют с образованием органических кислот (масляная, молочная) и газов. Из-за этого симптомами лактазной или сахаразной недостаточности являются диарея, рвота, метеоризм, вспучивание живота, его спазмы и боли.

Диагностика. Дифференциальная диагностика нарушений переваривания и всасывания заключается в контроле уровня глюкозы крови после раздельного приема дисахаридов и эквивалентного количества моносахаридов. Незначительный подъем концентрации глюкозы крови в первом случае указывает на нехватку ферментов, во втором – на нарушение всасывания.

Основы лечения. Исключение из рациона молока или продуктов с добавлением сахара в зависимости от типа непереносимого углевода.

Р О Л Ь Ц Е Л Л Ю Л О З Ы В П И Щ Е В А Р Е Н И И

Целлюлоза ферментами человека не переваривается. Но в толстом кишечнике под действием микрофлоры до 75% ее количества гидролизуется с образованием целлобиозы и глюкозы. Глюкоза частично используется самой микрофлорой и окисляется до органических кислот (масляной, молочной), которые стимулируют перистальтику кишечника. Частично глюкоза может всасываться в кровь. Основная роль целлюлозы для человека:

o стимулирование перистальтики кишечника, o формирование каловых масс,

o стимуляция желчеотделения,

oабсорбция холестерола и других веществ, что препятствует их всасыванию.

ПЕ Р Е Н О С Г Л Ю К О З Ы Ч Е Р Е З М Е М Б Р АН Ы

В С А С Ы В А Н И Е В К И Ш Е Ч Н И К Е

Всасывание моносахаридов происходит по механизму вторичного активного транспорта. Это значит, что затрата энергии при переносе сахаров происходит, но тратится она не непосредственно на транспорт сахара, а на создание градиента концентрации другого вещества.

В случае глюкозы таким веществом является натрий. Особый фермент – Na+,К+-АТФаза – постоянно, в обмен на калий, выкачивает ионы натрия из клетки, именно этот транспорт требует затрат энергии. В просвете кишечника содержание натрия относительно высоко и он связывается со специфическим мембранным белком, имеющим два центра связывания: один для натрия, другой для сахара. Примечательно то, что сахар связывается с белком только после того, как с ним свяжется натрий. Белок-транспортер свободно мигрирует в толще мембраны. При контакте белка с цитоплазмой натрий быстро отделяется от него по градиенту концентрации и сразу отделяется сахар. Результатом является накопление сахара в клетке, а ионы натрия выкачиваются Na+,К+-АТФазой.

Выход глюкозы из клетки в межклеточное пространство и далее кровь происходит бла-

годаря простой и облегченной диффузии.

biokhimija.ru	Тимин О.А. Лекции по биологической химии	187

Т Р А Н С П О Р Т И З К Р О В И Ч Е Р Е З К Л Е Т О Ч Н Ы Е М Е М Б Р А Н Ы

Из крови внутрь клеток глюкоза попадает при помощи облегченной диффузии – по градиенту концентрации с участием белков-переносчиков (глюкозных транспортеров "ГлюТ"). Различают 5 видов транспортеров глюкозы ГлюТ 1, ГлюТ 2, ГлюТ 3, ГлюТ 4, ГлюТ 5. Глюкозные транспортеры расположены на мембранах всех клеток.

В мышцах и жировой ткани находится ГлюТ 4, только эти транспортеры являются чувствительными к влиянию инсулина – при действии инсулина на клетку они поднимаются к поверхности мембраны и переносят глюкозу внутрь. Данные ткани получили название ин-

сулинзависимых.

Некоторые ткани совершенно нечувствительны к действию инсулина, их называют инсулиннезависимыми. К ним относятся нервная ткань, стекловидное тело, хрусталик, сетчатка, клубочковые клетки почек, эндотелиоциты, семенники и эритроциты.

Часть клеток занимает промежуточное положение, т.е. на их мембранах находятся ГлюТ 4 и другие типы транспортеров.

Р Е АК Ц И И В З АИ М О П Р Е ВР АЩ Е Н И Я С АХ АР О В

Поскольку в кишечнике всасываются все поступающие с пищей моносахариды (фруктоза, галактоза, манноза и т.п.), то перед организмом встает задача превратить полученные гексозы в глюкозу для ее дальнейшего использования в реакциях метаболизма. Этот процесс получил название взаимопревращение сахаров. Цель его – создание только одного субстрата для реакций метаболизма, а именно -D-глюкозы, что позволяет сэкономить ресурсы, не образовывать множество ферментов для каждого вида сахара. Реакции протекают в эпи-

телии кишечника и в гепатоцитах.

У детей некоторое время после рождения, даже при гипогликемии, в крови отмечается относительный избыток других моносахаридов, например, фруктозы и галактозы, что обычно связано с функциональной незрелостью печени.

Строение и обмен углеводов	188

П Р Е В Р А Щ Е Н И Е Г А Л А К Т О З Ы

Галактоза сначала подвергается фосфорилированию по 1-му атому углерода. Отличием от обмена фруктозы является превращение в глюкозу не напрямую, а через синтез УДФ-галактозы, которая впоследствии изомеризуется в глюкозу.

НАРУШЕНИЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ ГАЛАКТОЗЫ

Нарушения обмена галактозы у детей могут быть вызваны генетическим дефектом одного из ферментов:

o галактокиназы, частота дефекта 1:500000,

o галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы, частота дефекта 1:40000, o эпимеразы, частота дефекта реже 1:1000000.

Заболевание, возникающее при этих нарушениях, получило название галактоземия. Диагностика. Дети отказываются от еды. Концентрация галактозы в крови возрастает

до 11,1-16,6 ммоль/л (норма 0,3-0,5 ммоль/л), в крови появляется галактозо-1-фосфат. К лабораторным критериям относятся также билирубинемия, галактозурия, протеинурия, гипераминоацидурия, накопление гликозилированного гемоглобина.

Патогенез. Избыток галактозы превращается в спирт галактитол (дульцитол), накапливающийся в хрусталике и осмотически привлекающий сюда воду. Изменяется солевой состав, нарушается конформация белков хрусталика, что приводит к катаракте в молодом возрасте. Катаракта возможна даже у плодов матерей с галактоземией, употреблявших молоко во время беременности.

При дефекте галактозо-1-фосфат-уридил-трансферазы АТФ постоянно расходуется на фосфорилирование галактозы и дефицит энергии угнетает активность многих ферментов, "токсически" действуя на нейроны, гепатоциты, нефроциты. Как результат возможны задержка психомоторного развития, умственная отсталость, некроз гепатоцитов и цирроз пе-

biokhimija.ru	Тимин О.А. Лекции по биологической химии	189

чени. В почках и кишечнике избыток галактозы и ее метаболитов ингибирует всасывание аминокислот.

Основы лечения. Исключение из рациона молока и других источников галактозы позволяет предотвратить развитие патологических симптомов. Однако сохранность интеллекта может быть достигнута только при ранней, не позднее первых 2 месяцев жизни, диагностике и вовремя начатом лечении.

П Р Е В Р А Щ Е Н И Е Ф Р У К Т О З Ы

Реакции перехода фруктозы в глюкозу достаточно просты. Сначала происходит активация фруктозы посредством фосфорилирования: 6-го атома углерода при помощи гексокиназы или 1-го атома углерода при участии фруктокиназы. При этом гексокиназа имеет гораздо более низкое сродство к фруктозе.

Фруктозо-6-фосфат далее изомеризуется и глюкозо-6-фосфатаза отщепляет уже ненужный фосфат.

Если образуется фруктозо-1-фосфат, то он при участии альдолазы разделяется на глицеральдегид и диоксиацетонфосфат. Далее глицеральдегид фосфорилируется триозокиназой. У полученных триозофосфатов есть альтернатива:

o либо использоваться в гликолизе (см далее),

oлибо объединяться во фруктозо-1,6-дифосфат, дефосфорилироваться в фруктозо-6- фосфат, изомеризоваться в глюкозо-6-фосфат и далее превращаться в свободную

глюкозу.

При первом варианте фруктоза используется в печени как энергетический субстрат или для синтеза жиров. Второй вариант подразумевает получение глюкозо-6-фосфата или глюкозы и их использование в каких либо целях.

Строение и обмен углеводов	190

Особенностью метаболизма фруктозы является то, что фермент фруктокиназа является инсулин-независимым. В результате превращение фруктозы в пировиноградную кислоту и ацетил-SКоА происходит быстрее, чем для глюкозы. Это объясняется "игнорированием" лимитирующей реакции метаболизма глюкозы, катализируемой фосфофруктокиназой. Дальнейший метаболизм ацетил-SКоА в данном случае может привести к избыточному образованию жирных кислот и триацилглицеролов.

НАРУШЕНИЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ ФРУКТОЗЫ

Эссенциальная фруктозурия

Генетический дефект фруктокиназы приводит к доброкачественной эссенциальной фруктозурии, протекающей безо всяких отрицательных симптомов.

Наследственная фруктозурия

Заболевание формируется вследствие наследственных аутосомно-рецессивных дефектов других ферментов обмена фруктозы.

Дефект фруктозо-1-фосфатальдолазы проявляется после введения в рацион младенца соков и фруктов, содержащих фруктозу.

Патогенез связан со снижением концентрации фосфора в крови, гиперфруктоземией, с тяжелой постпрандиальной гипогликемией. Отмечается вялость, нарушения сознания, почечный канальцевый ацидоз. Диагноз ставится исходя из "непонятного" заболевания печени, гипофосфатемии, гиперурикемии, гипогликемии и фруктозурии. Для подтверждения проводят тест толерантности к фруктозе. Лечение включает диету с ограничением сладостей, фруктов, овощей.

Дефект фруктозо-1,6-дифосфатазы проявляется сходно с предыдущим, но не так тяжело.

С У Д Ь Б А И И С Т О Ч Н И К И Г Л Ю К О З Ы В К Л Е Т К Е

Наличие глюкозы в клетке обеспечивается, в первую очередь, проникновением ее из крови. Также почти все клетки имеют запасы гликогена, который используется как внутриклеточный резерв глюкозы. Печеночные клетки и почки обладают способностью синтезировать глюкозу из неуглеводных компонентов (глюконеогенез).

После проникновения в клетку глюкоза способна превращаться по различным направлениям:

o часть глюкозы обязательно используется в энергетическом обмене, она сгорает в реакциях катаболизма для синтеза АТФ,

o при достаточно большом количестве в клетке глюкоза запасается в виде гликогена, к синтезу гликогена способны большинство тканей,

o в гепатоцитах (при высокой концентрации) и в адипоцитах глюкоза перенаправляется на синтез триацилглицеролов и, например в печени, на синтез холестерола,

o при определенных условиях часть глюкозы идет в реакции пентозофосфатного пути, в котором образуются рибозо-5-фосфат и НАДФН,

o некоторая доля глюкозы используется для синтеза гликозаминов и далее структурных или иных гетерополисахаридов.